基于NX7.5.2 軟件的MBD 工藝設計研究

郭志偉，孫建邦

(中國兵器工業第203 研究所，陜西 西安 710065)

0 MBD 工藝設計概述

MBD(model based definition):是目前波音推行的新一代產品定義方法。其核心思想是:全三維基于特征的表述方法，基于文檔的過程驅動;融入知識工程、過程模擬和產品標準規范等。它用一個集成的三維實體模型完整的表達產品定義信息，即將制造信息和設計信息(三維尺寸標注及各種制造信息和產品結構信息)共同定義到產品的三維數字化模型中。從而取消二維工程圖，保證設計數據的唯一性。MBD 在2003 年被ASME 批準為機械產品的工程模型的定義標準，是以三維實體模型為制造依據的標準體。

在工程設計、工藝設計和生產流程方面，傳統的模式是:產品設計者首先將頭腦中的三維實體形象通過嚴格的標準和投影關系變為復雜的、但為工程界所共識的標準工程圖;工藝人員再以此二維工程圖作為唯一制造依據，通過想象恢復它的立體形狀，理解設計意圖，然后根據加工路線在頭腦中分解成不同的工序實體，并構思所需的工裝實體形象，再將各個工序及工裝實體形象轉化為相應的標準平面圖樣，編寫適當的工藝文件，傳遞到車間;工人再根據各工序圖，通過理解，再次還原產品加工階段的各個立體形狀，展開加工。在整個過程中，浪費不僅是平面圖的多次繪制，還包括了對實體形象和抽象的視圖表達方式之間的多次轉換，以及在轉換過程中可避免出現的表達不清和存在歧義，平面圖樣的再利用能力幾乎沒有，定義的品質完全依賴于相關人員的個人能力。有時不是創意而是對平面圖形的理解程度、制圖技術的好壞成為能否制造出好的產品的關鍵。這種方式使得產品數據傳遞過程中管理復雜，效率低下，成本高昂，信息利用率低。而MBD 技術就可以很好得解決上述傳統模式中的弊病，其重要特點之一就是設計信息與工藝信息的融合和一體化。

MBD 工藝設計方式就是工藝人員直接依據三維實體模型開展工藝開發工作。圍繞實體模型進行工藝裝配仿真、加工模擬仿真、工藝文件編制、NC 程序編寫等，并將所有工藝信息與模型融合為一體，再將包含完整信息的模型傳送到車間數字終端作為產品加工的依據，以一種“所見即所得”的方式指導生產。但這是一種理想的工作流程與設計方式，在實際的運作中，不但要解決大量軟件技術問題(例如:如何在模型中加入三維尺寸標注、工藝內容、工裝信息、設備信息、數控加工程序等)，更主要的是要有效解決由此帶來的對企業文化、管理體制、生產方式、檢驗制度等的沖突，因而MBD 的實施不可能是一蹴而就的，它必然經歷一個循序漸進的過程。本文即是通過探索一種在現階段可行的，既引用MBD 設計思想、又結合傳統生產流程特點的工藝設計方法，以實現產品從工程設計階段向加工生產階段的快速、準確轉化，并推動企業對于MBD 技術的認知，以MBD 技術的發展迎接三維數字化制造時代的來臨。

1 基于NX7.5.2 的MBD 工藝設計開發

1.1 NX7.5 簡介

NX 系列(原UG 系列)軟件是當前世界主流CAD/CAM 軟件之一，被當今許多世界領先的制造商用于概念設計、工業設計、詳細的機械設計以及工程仿真和數字化制造等各個領域。早在20 世紀70 年代初期，在某飛機研制中就使用此系列軟件建立了飛機的局部外形模型。1987 年我國已引進美國UGII 軟件用于K8 飛機研制。從1997 到2003 年我國飛機制造企業又連續多次從美國UGS 公司引進了大型CAD/CAM 軟件UGII，大量采用了UG 進行數字化設計與制造。現在UG 軟件已發展至NX7.5.2 及以上版本，其功能也越來越完善，在國內大型設計、制造企業得到了廣泛的應用。在NX7.5 版本中最大的驚喜在于同步建模技術的強大功能，它使得對于產品三維模型的后續更改設計變的非常簡單，在NX7.5.2 版本中又加入了中國工具包，使得軟件的使用更符合國內用戶的特定要求。本文所討論的MBD 工藝設計方法(不妨稱之為準MBD 工藝設計，因為完美的MBD 工藝設計在現階段仍是一種理想化的模式)，正是得益于軟件的上述功能，并與WAVE 技術結合，輔以合理的二次開發才得以實現。

1.2 基于NX7.5.2 的二次開發

大部分制造企業對于生產流程的控制，仍然是以工藝規程、工藝流程卡為主，通過紙質或電子的、符合企業標準的工藝技術文件在車間流轉來指導產品的加工生產。傳統的工藝文件編寫主要采用Auto CAD，WORD，CAXA/CAPP 等軟件來進行，這類軟件都是以二維工程圖為基礎，利用事先定制的與使用軟件相適應的二維標準模板來進行。而產品的模型設計是用NX，Solid Work 等大型三維設計軟件來進行的。產品的數控加工編程又涉及其他的CAM 軟件。那么對于工藝設計人員來說，只有掌握眾多的設計軟件才有可能很好地完成整個工藝設計環節的工作，這無疑是一種額外的負擔，況且在不同軟件環境之間調用模型和圖樣文件幾乎是不可能順利實現的，這無疑會浪費工藝設計人員大量的時間來處理軟件之間不完全兼容所帶來的一系列問題。

對于MBD 工藝設計來說，其要實現的主要功能就是對三維模型的最大利用(取消二維圖樣這一中間過程)，并以此為基礎快捷、高效、準確的生成適合制造企業生產管理流程的工藝文件指導生產。顯而易見，如果能夠將產品的工程設計環境(CAD)、工藝設計環境(包括裝配仿真、工裝設計、工藝編制等)、加工仿真與編程環境(CAM)等融為一體，必然會大大提高工藝設計的效率。傳統的二維工藝設計軟件顯然很難完成這一任務。對于NX7.5 系列軟件來說，其在CAD/CAM 方面的強大功能已經通過市場的廣泛應用得到了充分的證明，那么要利用軟件現有的功能實現工藝設計的其他內容(編制工藝文件)，以達到目的，就必須首先對軟件進行合理的二次開發，在新的軟件環境中定制出符合企業自身標準要求的各類工藝技術文件模板。

a)工藝模板的開發與使用

通過定制與企業自身要求相適應的標準化工藝規程、工藝流程卡、工裝圖模板并通過對NX7.5.2 相關配置文件的合理改寫，將模板文件及工藝資源添加到軟件中，使得工藝設計人員能夠對工藝模板文件進行快速調用，這是工藝設計的先決條件。

新建模型文件，進入制圖模塊，按照企業對于線型、字體等方面的具體要求，利用曲線命令繪制所需工藝模板，然后在模板文件屬性項中增加如產品代號、工序名稱、工序號、編制、校核等固定項，將模板文件中的相應項與新增屬性關聯對應，或直接與產品模型文件的有關屬性關聯，以實現對工藝文件標準內容的快速輸入。

完成工藝模板的定制后，通過新建文件的方式調用模板，再將各工序模型、工裝模型以各種視圖的形式加入到新建文件中，以繼承PMI 標注(三維標注)、添加注釋、引用技術資料庫等方式在工藝文件中添加必要的工步內容及其他信息，從而快速生成工藝執行文件。這種方式直接去除了工藝設計對產品二維工程圖的依賴，以三維模型作為唯一數據源，利用軟件在制圖方面的強大功能，使得工藝設計能夠快速、合理、準確的完成工藝編制。

b)配置文件及技術資料庫開發

完成了工藝模板的定制開發后，如何有效地調用模板，生成與模型相關聯的工藝文件?如何將常用的加工術語、刀具信息、加工要求等重復使用的資源迅速添加到文件中，減少不必要的重復勞動?這便需要對軟件的相關配置文件進行合理的修改來實現。如建立一個“203 所工藝規程封面模板”文件，命名為“203_technics_fm.prt”，再制作一個與模板對應的預覽圖片文件，命名為“203_technics_fm_template.JPG”，然后將上述兩個文件拷貝至NX7.5.2安裝目錄下的UGII emplates 文件夾中，并通過對相關文件的修改來得到目錄標題為“203 工藝模板”的文件新建菜單選項以調用模板。

用記事本程序打開NX7.5.2 安裝文件夾下的LOCALIZATIONprcsimpl_chinesestartup 文件夾中的ugs_drawing_templates_simpl_chinese.prt 文件，修改如下內容(黑體、斜體表示已修改后的內容):

修改完畢后保存上述文件，重新啟動NX7.5 軟件，即可在新建文件時，發現已嵌入工藝模板的調用選項(如圖1)，選擇需要的工藝模板，命名后點擊確定即可調用模板來編制工藝文件。

圖1 工藝模板調用選項

用記事本程序打開NX7.5 安裝文件夾下的LOCALIZATIONprcgc_toolsconfiguration 文件夾中gc_tool 文件，添加如下類似常用工藝資源(斜體、黑體內容為添加內容):

修改完畢后保存上述文件，重新啟動NX7.5 軟件，點擊技術要求庫即可發現新內容已添加，可隨時引用添加的工藝信息資源。

2 MBD 工藝設計中的關聯設計

2.1 WAVE 技術在工藝設計中的應用

WAVE(what-if alternative value engineer)技術是EDS公司推出的自頂向下的、全相關的產品級設計技術，是參數化造型技術與系統工程設計的有機結合，通過集成系統級工程和參數化建模技術來實現產品的快速開發，極大的提高產品的設計效率。WAVE 技術的本質，就是通過一系列自頂向下工程參數的控制，來驅動整個產品的總體設計、功能評估和工程更改，面向產品數據的全相關是WAVE 技術的最大特點。在產品的裝配設計中，當某個主參數改變后，產品會按照原來設定的控制結構、幾何關聯性和設計準則，自動更新產品系統中每一個需要改變的零部件，以確保產品的設計意圖和整體性。

對于產品的機械加工工藝設計，一般都是按照“去除材料”的思路，將產品設計結構分解成多道工序結構，然后根據每道工序的特點，設計工序附圖和加工說明(工步內容等)來進行。那么在MBD 工藝設計中，中間工序模型及必要的工裝模型也就是必須建立的(因為此時，工序附圖是由相關模型直接生成的)。這時便會出現一個急需解決的問題—如何建立工藝過程中所必須的中間模型(如粗車、精車、精銑、終檢等工序模型)，是讓工藝人員去按照傳統的建模方式分別創建這些模型嗎?顯然，這不是一個好的建議。因為這樣建立的工序模型是相互獨立的，是與產品設計模型沒有任何關聯關系的獨立個體，重復的建模工作也是不可取的。這樣的設計方法是不能帶來設計效率的提升，也是不符合MBD 設計思想的。

WAVE 技術提供了很好的解決方案，在MBD 工藝設計中，可以充分利用NX/WAVE 技術的前述特點，使得工藝設計環節與產品模型緊密關聯。當工藝人員得到一份產品的設計模型時，通過WAVE 技術可將設計模型鏈接到新建的工藝模型文件中(設計模型的更改權限是嚴格控制的，工藝人員是不能直接使用的)，并將此工藝模型作為工藝設計的頂節點，在頂節點下繼續運用WAVE 技術，通過對工藝模型中實體特征或點、線、面特征的鏈接，創建中間工序模型及輔助工裝模型子節點，然后對各個子模型進行后續工藝設計，由此形成一個與產品模型全關聯的MBD 工藝設計子系統(如圖2)。當產品的設計參數更改后，通過WAVE 技術獲得的工藝模型、工序模型、輔助工裝模型及編制的工藝文件(工序附圖)也會隨之自動更改，而工藝人員只需對相應的工步內容進行調整即可快速生成新的工藝執行文件，這將極大提高工藝設計的效率，并且對于企業開展設計與制造并行工程也是極為有利的。

圖2 MBD 工藝設計子系統示意圖

2.2 同步建模技術在工藝設計中的應用

前面提到對于設計模型的更改權限是嚴格受控的，這一方面可以避免工藝人員對原模型不合理的操作導致后續工藝設計出錯，影響整個制造環節;另一方面設計模型是整個工藝設計的驅動點，必須保證其相對的獨立性，這樣在設計發生更改時，才能保證后續的工藝設計正確更新。前條所述，工藝設計所需的模型都是通過WAVE 建立的，但通過WAVE 技術從設計模型鏈接得到的工藝模型是以一個實體特征(鏈接體)出現在新文件中的，不再繼承原模型的建模歷史記錄(有序特征樹型結構)，因而也就不能通過對特征結構的重新編輯來得到需要的中間工序模型(況且對于復雜結構零件來說，要理解設計者的建模思路，以編輯建模歷史特征的方式修改模型，本身就是一件極為困難的工作)。那么，如何在WAVE 的基礎上修改鏈接得到的唯一實體特征，快速建立所需的中間工序模型呢?

NX 在2008 年推出的同步建模技術可以很好的解決上述問題。同步建模技術是三維實體建模技術中一個成熟的、突破性的飛躍，在參數化、基于歷史記錄建模的基礎上前進了一大步，同時與先前技術共存。同步建模的基本目的是提出一種設計更改方法，強調修改模型的當前狀態，不考慮它是怎樣被構造，不管是否有參數存在，不管它的相關性或它的歷史特征。通過移動(或代替)一個模型的面，或利用對模型橫截面的編輯，或利用修改線性、角度和半徑尺寸等方法修改模型，實現對設計模型的自由改變而不需先前的經驗。同步建模是一種獨立于線性歷史的、全新的建模方法。

由同步建模技術的特點，可以很清楚的看到，它正適用于MBD 工藝設計中由WAVE 技術得到的鏈接實體模型，對于這個沒有建模歷史記錄，非參數化的實體模型，同步建模技術能夠體現出其最優異的特點，實現對模型的快速修改。

3 應用實例

在MBD 工藝設計中，應用的難點是:要以最有效地方式利用設計模型，快速建立系統性關聯的工序模型、工裝模型，最終完成CAM 環境下的加工仿真、編程及工藝規程等技術文件的編寫。NX/CAM 已經是很成熟的技術，這里不再贅述。工藝文件的編寫，在對軟件進行了合理的二次開發后，不再是困難的工作，其應用過程與工程圖的建立方式類似。下面通過一個示例來論述如何運用WAVE技術及同步建模技術建立與設計模型全關聯的工序模型。從初始工藝模型(可作為最終檢驗工序模型使用)建立前步的工序模型可理解為“添加材料”的逆推過程。

圖3 是某類型發動機組件模型test01，在裝配導航器中通過WAVE 鏈接選項—將幾何體復制到新部件，得到初始工藝模型test01_p01(圖4)。根據模型結構，工藝路線可簡略分為3 個加工工序:粗車、精車、精銑。

按照逆推的思路，精銑為最后一道工序，主要目的是銑出球面上的4 個凸臺及凸臺邊緣圓角，可直接由test01_p01 鏈接得到模型(命名為test01_p01_jx)進行CAM 編程完成。在精車工序，通過WAVE 選項—將幾何體復制到組件，創建精車模型test01_p01_jc，在此模型中，首先用同步建模/刪除面命令刪除凸臺圓角特征與及凸臺上面的孔，并用移動面命令將凸臺與徑向方向(整個回轉體的徑向)垂直的兩個面移動生成足夠的余量，然后以凸臺的相關邊通過旋轉命令得到圖5 所示精車模型。粗車工序是為了去處大部分的多余材料，給精車留夠必要的余量即可。通過前述同樣的方式，以test01_p01_jc 鏈接創建粗車模型test01_p01_cc，然后通過同步建模/橫截面編輯命令，在各個部位設置需要的余量并刪除不必要的倒角斜面即可生成圖6 所示粗車模型。毛坯模型(如圖7 中透明圓柱體)的建立，可以通過拉升最大圓柱特征底邊(生成圓柱體)，再向外偏置圓柱體柱面，最后拉出圓柱體兩端面生成余量而得到。

所有工序模型建立后，可對相關模型設置顯示透明度，從而直觀的觀察模型建立的是否恰當，每一步的加工余量是否足夠，從而避免不合理的操作(如圖7 所示)。模型完成后，就可以調用工藝文件模板編寫必要的指導文件了。

圖7 示例模型及BOM 結構

MBD 工藝設計方法作為一種新的設計思路，在運用的過程中，需要技術人員對WAVE 技術、同步建模技術及NX 軟件本身有深刻的理解及較強的操作技巧，本文旨在以“拋磚引玉”的方式，提供一種可行的思路供業界參考。

4 結論

1)通過對NX7.5.2 進行二次開發，可實現產品工程設計環境與工藝設計環境、加工仿真環境的統一，解決多種軟件交叉使用帶來的軟件不兼容及技術人員須同時掌握多種軟件的困難，并實現MBD 工藝設計的核心功能，提高工藝設計效率。

2)通過基于NX7.5.2 的MBD 工藝設計研究，可實現基于產品三維設計數據的工藝設計，加速產品從工程設計階段向工藝設計及加工生產階段的流轉并提高產品設計數據傳遞的準確性，尤其對于大型系統性產品的研發，這種工藝設計手段及流程的轉變將大大提高研發效率，縮短產品研制周期，節約研發成本并提高產品研制的可靠性。

3)以較小的成本對現有NX7.5.2 及以上版本軟件進行二次開發，即可實現MBD 工藝設計的核心功能，解決企業購買大型三維工藝設計軟件的巨大資金投入，使企業的工藝設計更適合于未來產品設計與制造的發展。

［1］趙文龍.UG/WAVE 技術的研究［J］.機械，2004(31):69-70.

［2］UG NX7 從入門到精通［M］.北京:機械工業出版社，2009.